基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量系統(tǒng)設(shè)計
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基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量系統(tǒng)設(shè)計主要包括控制處理電路設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計和軟件程序設(shè)計三部分?？刂铺幚黼娐吩O(shè)計主要包括：核心控制處理芯片的選擇、芯片的外圍電路設(shè)計、控制電路電路設(shè)計和處理電路電路設(shè)計。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計旨在實現(xiàn)電磁線圈驅(qū)動永磁體活塞在被測液體中往復(fù)運(yùn)動。其中要求：被測液體能夠自由進(jìn)入活塞的運(yùn)動空間；線圈的安裝空間具有良好的密封性。軟件程序設(shè)計主要包括硬件程序編寫和上位機(jī)程序編寫。其中，硬件程序主要實現(xiàn)測量系統(tǒng)的控制功能和處理功能以及與上位機(jī)的通信，上位機(jī)程序主要實現(xiàn)與下位機(jī)的通信以及測量數(shù)據(jù)的處理和顯示。本章將對以上幾個方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
1 信號產(chǎn)生電路設(shè)計
信號產(chǎn)生電路設(shè)計既電磁線圈驅(qū)動信號產(chǎn)生電路設(shè)計，要求產(chǎn)生驅(qū)動信號驅(qū)動兩個電磁線圈實現(xiàn)兩個電磁線圈交替通電，從而驅(qū)動兩個線圈之間的柱狀永磁鐵活塞往復(fù)運(yùn)動。
為了使電磁線圈對柱狀永磁鐵活塞的驅(qū)動力為恒力，本系統(tǒng)采用恒定電壓的方波信號作為驅(qū)動信號。
1.1 方波產(chǎn)生電路方案選擇
微控制器產(chǎn)生方波
微控制器產(chǎn)生方波實現(xiàn)非常簡單，主要是利用I/O口產(chǎn)生高低電平，再經(jīng)后續(xù)電路的處理即可。后續(xù)電路的處理主要有以下方法：
利用D/A轉(zhuǎn)換器將I/O口輸出電平轉(zhuǎn)換成模擬信號，再將放大電路放大；
直接將I/O口輸出電平進(jìn)行隔離放大，作為驅(qū)動信號；
將I/O口輸出電平進(jìn)行隔離放大后控制功率器件的通斷，從而產(chǎn)生驅(qū)動信號。
利用微控制器產(chǎn)生方波實現(xiàn)方便，易于調(diào)節(jié)。并且考慮到后續(xù)感應(yīng)信號檢測處理電路的需要，使用微控制器更能滿足要求。
根據(jù)本測量系統(tǒng)的要求，微控制器需要實現(xiàn)的功能比較簡單，所以選用經(jīng)濟(jì)普遍的51系列單片機(jī)作為微控制器芯片。該單片機(jī)主要需要實現(xiàn)產(chǎn)生固定周期方波、對感應(yīng)信號的檢測并計時以及利用串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，以上三個功能都需要用到定時器，所以本系統(tǒng)選用了具有三個定時器的STC89C52RC單片機(jī)，其引腳圖如圖4-4所示。
圖4-4 STC89C52RC引腳圖
1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)
單片機(jī)要想實現(xiàn)其他功能，首先其應(yīng)該具備一些最基本的外圍電路，即使其正常工作的最小系統(tǒng)，其主要包括電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路。
（1）電源電路
STC89C52RC單片機(jī)的電源電壓Vcc為5V，一般實驗室內(nèi)有很多滿足要求的電源，但由于單片機(jī)的供電電源電壓要求比較穩(wěn)定，這樣就要對輸入電壓在接入電源引腳前進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波。由于本系統(tǒng)需要用到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和顯示，所以單片機(jī)電源直接由PC機(jī)USB口供電。USB接口有四根線分別是電源線Vcc、地線GND、數(shù)據(jù)線DATA+和數(shù)據(jù)線DATA-，其中電源線和地線之間的電壓即為5V，其電壓的穩(wěn)定性完全能夠滿足單片機(jī)電源電壓的要求，使用它為單片機(jī)的電源供電就減少了對電源電壓的一些處理過程。
其電路原理圖如圖4-5所示。
圖4-5 電源電路原理圖
其中，電源與地之間的并聯(lián)的電解電容進(jìn)一步增加了供電電壓的穩(wěn)定性，LED是供電電源的指示燈。
（2）復(fù)位電路
89系列單片機(jī)與其他微處理器一樣，在啟動時都需要復(fù)位，使系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)。RST引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩周期（即兩個機(jī)器周期）以上[38,39]。
復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式，本設(shè)計中采用手動復(fù)位和上電自動復(fù)位組合的方式。
其電路原理圖如圖4-6所示。
圖4-6 復(fù)位電路原理圖
在通電瞬間，電容C3通過電阻R2充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位，穩(wěn)定后，RST端恢復(fù)到低電位；系統(tǒng)上電運(yùn)行后若需要復(fù)位，按下開關(guān)S1，在開關(guān)接通瞬間，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位，開關(guān)S1抬起后，RST端又逐漸恢復(fù)到低電位。
（3）時鐘電路
時鐘電路是單片機(jī)的心臟, 它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。單片機(jī)就是通過復(fù)雜的時序電路完成不同的指令功能的。單片機(jī)的時鐘信號可以由兩種方式產(chǎn)生：一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，產(chǎn)生時鐘信號；另一種為外部方式，時鐘信號由外部引入。
本設(shè)計中采用外部引入方式，其電路原理圖如圖4-7所示。
圖4-7 時鐘電路原理圖
晶振Y1的頻率決定了單片機(jī)的振蕩頻率，由于本系統(tǒng)中用到串行通信，為了設(shè)置波特率方便，本設(shè)計采用的晶振頻率為11.0592MHz。其中C1、C2的主要作用是幫助起振和對振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)[40]。
1.3 方波產(chǎn)生電路設(shè)計
方波信號產(chǎn)生電路首先由單片機(jī)某一I/O口交替產(chǎn)生高低電平，再由反相器得到其互補(bǔ)信號，形成一對互補(bǔ)信號。然后，將兩路信號經(jīng)過光電耦合器隔離后分別驅(qū)動兩個開關(guān)管，進(jìn)而控制電磁線圈的通斷。
因為本系統(tǒng)中是用單片機(jī)輸出的數(shù)字信號驅(qū)動開關(guān)管和電磁線圈等大功率器件，所以使用光電耦合器隔離前面的數(shù)字部分和后面的模擬部分[41,42]。
本設(shè)計中采用的光電耦合器是TLP521，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4-8所示。
圖4-8 光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
光電耦合器的工作原理是輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用[43]。
其典型應(yīng)用電路如圖4-9所示。
圖4-9 光耦典型應(yīng)用電路
本設(shè)計采用MOS開關(guān)管的通斷來控制電磁線圈的交替通電，兩個電磁線圈分別和兩個開關(guān)管串聯(lián)，光電耦合器的輸出信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而控制電磁線圈的通電狀態(tài)。
其電路原理圖如圖4-10所示。
圖4-10 方波產(chǎn)生電路原理圖
2 感應(yīng)信號檢測處理電路設(shè)計
利用以上電路，通過單片機(jī)可以產(chǎn)生某一固定周期的方波控制兩個電磁線圈交替通電，進(jìn)而驅(qū)動柱狀永磁鐵活塞在兩個電磁線圈之間往復(fù)運(yùn)動?；钊诰€圈之間運(yùn)動時，會對線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓。本系統(tǒng)中通過對感應(yīng)電壓信號進(jìn)行檢測處理并反饋到單片機(jī)，使單片機(jī)控制方波信號的實時翻轉(zhuǎn)，實時控制開關(guān)管的通斷，從而切換兩個電磁線圈的通電狀態(tài)，就可以實現(xiàn)活塞在線圈之間的運(yùn)動方向的實時改變，實現(xiàn)活塞的實時往復(fù)運(yùn)動。
本系統(tǒng)中的感應(yīng)電壓信號是疊加在驅(qū)動電壓上的一個小電壓信號。由于本系統(tǒng)不要求得到感應(yīng)電壓信號的準(zhǔn)確值，只需要檢測感應(yīng)電壓達(dá)到某一臨界值的時刻。所以，設(shè)計中采用常用的電壓比較器來實現(xiàn)這一功能[44]。
電壓比較器是集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用電路，它將一個模擬量電壓信號和一個參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域[45]。
根據(jù)感應(yīng)電壓信號的特點(diǎn)，本系統(tǒng)中選用電壓比較器LM339作為感應(yīng)電壓的檢測芯片。LM339芯片內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，是很常見的集成電路。利用lm339可以方便的組成各種電壓比較器電路和振蕩器電路。圖4-11為其引腳圖。
圖4-11 LM339引腳圖
LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當(dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用[46]。
本系統(tǒng)利用LM339檢測電磁線圈上的感應(yīng)電壓信號，當(dāng)其達(dá)到某一臨界值時，即活塞運(yùn)動到某一位置時，電壓比較器輸出高電平，并將其反饋給單片機(jī)，進(jìn)而控制方波信號翻轉(zhuǎn)。
其電路原理圖如圖4-12所示。
圖4-12 感應(yīng)信號檢測處理原理圖
3 串口通信設(shè)計
本測量系統(tǒng)中，單片機(jī)記錄活塞在被測液體中往復(fù)運(yùn)動的時間，然后通過串口將記錄的時間數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上進(jìn)行分析處理和顯示。
3.1 串口通信簡介
串口是一種非常通用的設(shè)備通信的協(xié)議。串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信[47]。
51單片機(jī)的串行口試一個可編程全雙工的通信接口，具有UART（通用異步收發(fā)器）的全部功能，能同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為同步移位寄存器使用[48]。
3.2 串口電路設(shè)計
51單片機(jī)上串行口的輸入輸出電平為5VTTL（晶體管-晶體管邏輯電平）電平，即+5V等價于邏輯1，0V等價于邏輯0，而PC機(jī)的串行口為RS-232C接口，其輸入輸出電平滿足RS-232C的電氣特性，即用-5V~-15V表示邏輯1，用+5V~+15V表示邏輯0。所以單片機(jī)與PC機(jī)之間進(jìn)行串口通信需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換[49]。
本系統(tǒng)中采用常用的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路，使用+5V單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5V）。其引腳圖如圖4-13所示。
圖4-13 MAX232引腳圖
本設(shè)計中串口通信的電路原理圖如圖4-14所示。
圖4-14 串口通信電路原理圖
4機(jī)械機(jī)構(gòu)部分設(shè)計
機(jī)械結(jié)構(gòu)部分是為提供電磁線圈驅(qū)動柱狀永磁體活塞在被測液體中往復(fù)運(yùn)動的探頭結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中將機(jī)械探頭設(shè)計成雙套筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)套筒為電磁線圈和被測液體提供隔離，其內(nèi)部為可以自由出入的被測液體，活塞在其中做往復(fù)運(yùn)動，內(nèi)外套筒之間安裝電磁線圈，外套筒隔離其與探頭外部的被測液體。整個探頭結(jié)構(gòu)包括：內(nèi)套筒、外套筒和兩個側(cè)蓋[50,51]。
4.1 內(nèi)外套筒設(shè)計
內(nèi)、外套筒結(jié)構(gòu)非常簡單只要設(shè)計尺寸滿足要求即可。本系統(tǒng)中外套筒和內(nèi)套筒之間安裝電磁墊圈，而且根據(jù)本系統(tǒng)中電磁線圈緊湊安裝的要求，它們的長度應(yīng)該為兩個電磁線圈長度之和，它們的內(nèi)徑應(yīng)該為電磁線圈的外徑，壁厚都設(shè)計為2mm。其中外套筒為了和側(cè)蓋進(jìn)行裝配安裝，設(shè)計了法蘭盤結(jié)構(gòu)。
圖4-15、4-16分別為內(nèi)外套筒的剖面圖。
圖4-15 外套筒剖面圖 圖4-16 內(nèi)套筒剖面圖
4.2 側(cè)蓋設(shè)計
機(jī)械探頭用兩個側(cè)蓋與內(nèi)外套筒的兩端進(jìn)行裝配安裝，一方面保證外部的被測液體與套筒之間的電磁線圈的隔離，另一方面又要保證被測液體能夠自由進(jìn)入活塞往復(fù)運(yùn)動的內(nèi)筒內(nèi)部，同時保證活塞不能跑出機(jī)械探頭。
本設(shè)計中，采用在側(cè)蓋上對應(yīng)內(nèi)筒的位置打上多個小孔，其中小孔的直徑小于活塞直徑，保證了活塞不會跑出機(jī)械探頭，而被測液體又能通過小孔流入內(nèi)筒內(nèi)部。
由于柱狀永磁鐵活塞是有極性的，所以如果活塞運(yùn)動到某一端，運(yùn)動到超過電磁線圈內(nèi)部中點(diǎn)時，電磁線圈對活塞的驅(qū)動力方向?qū)l(fā)生改變，活塞將無法形成往復(fù)運(yùn)動。本系統(tǒng)中，在側(cè)蓋上設(shè)計了伸入內(nèi)筒內(nèi)部的凸臺，限制活塞的運(yùn)動的位置，凸臺高度為線圈長度的一半，從而保證了活塞的運(yùn)動位置不超過線圈的中點(diǎn)。同時，側(cè)蓋上還設(shè)計了與外筒進(jìn)行裝配安裝的對應(yīng)法蘭盤結(jié)構(gòu)。兩面的兩個側(cè)蓋完全一樣。
圖4-17為側(cè)蓋的剖面圖。
圖4-17 側(cè)蓋剖面圖
4.3 探頭總體結(jié)構(gòu)
將以上設(shè)計的內(nèi)套筒內(nèi)部放入柱狀永磁鐵鐵活塞，內(nèi)套筒與外套筒之間安裝上兩個電磁線圈，兩端用側(cè)蓋密封，側(cè)蓋與外筒之間通過法蘭盤用螺絲固定，這樣就構(gòu)成了機(jī)械探頭的總體結(jié)構(gòu)，將其放入被測液體中，被測液體可以自由進(jìn)入內(nèi)套筒內(nèi)部，電磁線圈驅(qū)動柱狀永磁鐵活塞在被測液體中往復(fù)運(yùn)動，記錄活塞的往復(fù)運(yùn)動時間，便可以得到被測液體的粘度。
探頭總體結(jié)構(gòu)剖面圖如圖4-18所示。
圖4-18 探頭總體結(jié)構(gòu)剖面圖
5 軟件程序設(shè)計
本測量系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計主要包括單片機(jī)程序設(shè)計和上位機(jī)程序設(shè)計。
5.1 單片機(jī)程序設(shè)計
單片機(jī)程序主要實現(xiàn)方波驅(qū)動信號的產(chǎn)生、感應(yīng)電壓信號的檢測處理、活塞往復(fù)運(yùn)動時間的記錄以及通過串口向上位機(jī)傳送記錄的數(shù)據(jù)。
其程序流程圖如圖4-19所示：
首先，對單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括設(shè)置定時器工作方式、裝載定時器初值、設(shè)置串口工作方式、設(shè)置串行通信波特率、開中斷等。正常工作時，單片機(jī)通過檢測活塞往復(fù)運(yùn)動時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號來控制方波翻轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動活塞繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動，從而再次產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號。所以，進(jìn)入單片機(jī)主程序后便開始循環(huán)檢測感應(yīng)電壓信號，一旦檢測到有感應(yīng)電壓信號反饋到單片機(jī)，程序立即控制單片機(jī)I/O口翻轉(zhuǎn)方波信號，驅(qū)動活塞反方向運(yùn)動，記錄活塞的運(yùn)動時間（由定時器T0計數(shù)得出），重新計時，并向上位機(jī)發(fā)送記錄的數(shù)據(jù)。
但是，有時可能未能檢測到感應(yīng)電壓信號，此時方波不在翻轉(zhuǎn)，活塞便無法繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動，也就不會再有感應(yīng)電壓信號。所以程序中設(shè)計了超時溢出，并進(jìn)行了溢出處理，使程序能夠在未能檢測到感應(yīng)電壓信號的情況下繼續(xù)正常工作。如果長時間未檢測到感應(yīng)電壓信號，則程序超時溢出（由定時器T1控制），同時翻轉(zhuǎn)方波，驅(qū)動活塞繼續(xù)往復(fù)運(yùn)動，重新計時，并且重載超時計時器。這樣系統(tǒng)便能恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。
4.5.2 上位機(jī)程序設(shè)計
上位機(jī)程序主要實現(xiàn)的功能包括通過串口從下位機(jī)接收數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)上進(jìn)行處理和顯示。本系統(tǒng)的上位機(jī)程序是VC進(jìn)行編程。
（1）數(shù)據(jù)的接收
本系統(tǒng)通過串口進(jìn)行上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。在VC中使用MFC編程，可以通過MSComm控件方便的對串口進(jìn)行控制。MSComm控件是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，為應(yīng)用程序提供了通過串行通信功能。
在MFC下使用MSComm控件，只需設(shè)置一些簡單的參數(shù)，并編寫一些自己的程序所需要實現(xiàn)的功能，便可以實現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間串口通信。
（2）數(shù)據(jù)的處理和顯示
單片機(jī)通過串口傳送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)是通過定時器記錄的活塞在被測液體中往復(fù)運(yùn)動的時間。所以上位機(jī)程序需要對其進(jìn)行處理，從而得到對應(yīng)的被測液體的粘度值。
定時器在計數(shù)狀態(tài)下是每個機(jī)器周期計數(shù)一次，由于單片機(jī)采用的晶振的頻率是11.0592MHz，所以定時器的計數(shù)一次的時間為：
（4-1）
即定時器的計數(shù)值為n時，活塞往復(fù)運(yùn)動的時間為：
（4-2）
再根據(jù)第三章中推導(dǎo)出的被測液體粘度與活塞的往復(fù)運(yùn)動時間的關(guān)系，即式（3-54），便可求得被測液體的粘度值。
上位機(jī)程序既是把通過串口從單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)以上公式進(jìn)行計算處理，得到被測液體的粘度值，并在程序界面上進(jìn)行顯示。
第5章 測量系統(tǒng)可行性驗證實驗
本論文之前的內(nèi)容介紹了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方法的原理，分析了測量方法的理論基礎(chǔ)，并設(shè)計了測量系統(tǒng)的各個模塊。本章根據(jù)以上原理和理論基礎(chǔ)，搭建了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量系統(tǒng)，并進(jìn)行了測量系統(tǒng)的可行性驗證實驗，且對測量結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和探討。
5.1 系統(tǒng)實驗裝置
在前面幾章的基礎(chǔ)上，依據(jù)基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方法的工作原理、理論分析和設(shè)計方案搭建了系統(tǒng)試驗平臺。
其實物圖如圖5-1所示。
圖5-1 系統(tǒng)實驗平臺
本系統(tǒng)中，電路板與裝在探頭中的兩個電磁線圈進(jìn)行連接，控制電磁線圈交替通電，從而驅(qū)動探頭內(nèi)的柱狀永磁鐵活塞往復(fù)運(yùn)動。同時，電路板檢測由于活塞的往復(fù)運(yùn)動而對電磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號，并記錄活塞的往復(fù)運(yùn)動時間，然后通過串口傳送到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。
本系統(tǒng)用到三個電源，其中單片機(jī)使用USB供電，活塞驅(qū)動電壓使用一個可調(diào)電壓的電源供電，感應(yīng)電壓信號檢測模塊的電壓比較器使用12V固定電壓電源供電。
5.2 系統(tǒng)實驗與分析
5.2.1 活塞固定周期運(yùn)動實驗
首先進(jìn)行的是活塞以固定周期往復(fù)運(yùn)動的實驗。利用單片機(jī)產(chǎn)生固定周期的方波信號，控制柱狀永磁鐵活塞以固定周期往復(fù)運(yùn)動[54]。此時，可以觀察電磁線圈上的電壓波形的特點(diǎn)。
當(dāng)探頭中不放入柱狀永磁鐵活塞時，即沒有活塞做往復(fù)運(yùn)動時，電磁線圈上也就沒有感應(yīng)電壓信號。此時，電磁線圈上只有驅(qū)動電壓的方波信號。
其波形圖如圖5-2所示。
圖5-2 驅(qū)動電壓波形圖
當(dāng)柱狀永磁鐵活塞放入探頭中后，在驅(qū)動電壓下，活塞就會在兩個電磁線圈之間以固定周期做往復(fù)運(yùn)動。而活塞的運(yùn)動就會在電磁線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此時電磁線圈上的電壓信號就是驅(qū)動電壓信號和感應(yīng)電壓信號的疊加。
其波形圖如圖5-3所示。
圖5-3 感應(yīng)電壓波形圖
5.2.2 活塞實時運(yùn)動實驗
由以上感應(yīng)電壓與驅(qū)動電壓疊加的電壓波形圖，可以看出感應(yīng)電壓信號的大致幅度。根據(jù)感應(yīng)電壓信號的大小和特點(diǎn)，則可以對感應(yīng)電壓信號檢測模塊的電壓比較器的輸入?yún)⒖茧妷褐颠M(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)中是通過電位器對電壓比較器的電源電壓進(jìn)行分壓，通過調(diào)節(jié)電位器便可以得到合適的參考電壓值。
通過對活塞在實驗中需要測量的幾種液體中運(yùn)動時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號波形圖進(jìn)行觀察，感應(yīng)電壓信號的幅值大致在500mV-1V的范圍之間。而驅(qū)動電壓的電壓值為9V時，對所要測量的幾種液體都能實現(xiàn)活塞往復(fù)運(yùn)動對驅(qū)動力的需求，所以驅(qū)動電壓設(shè)置為9V。
根據(jù)以上所述，本系統(tǒng)將電壓比較器的輸入?yún)⒖茧妷褐翟O(shè)置為9.1V，這樣便能對活塞在實驗中需要測量的幾種液體的運(yùn)動時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號進(jìn)行檢測，并且還留有一定的裕量。
設(shè)置好參考電壓，啟動感應(yīng)電壓檢測模塊后，活塞實現(xiàn)實時往復(fù)運(yùn)動。
此時，其波形圖如圖5-4所示。
圖5-4 實時運(yùn)動電壓波形圖
5.2.3 系統(tǒng)標(biāo)定實驗
實現(xiàn)活塞的實時往復(fù)運(yùn)動之后，就可以測量活塞在不同液體中的實時往復(fù)運(yùn)動的時間。本系統(tǒng)中通過單片機(jī)定時器的計數(shù)功能來記錄活塞往復(fù)運(yùn)動的時間，其計數(shù)一次為單片機(jī)的一個機(jī)器周期。
根據(jù)以上所述，系統(tǒng)試驗平臺可以將探頭浸入被測液體液體中，使活塞在被測液體中做往復(fù)運(yùn)動，并通過單片機(jī)定時器的計數(shù)功能來記錄活塞往復(fù)運(yùn)動的時間。
由第三章中的理論推導(dǎo)得出的被測液體粘度和活塞往復(fù)運(yùn)動時間的關(guān)系以及定時器計數(shù)值和時間的關(guān)系，便可以得到被測液體的粘度。
由于公式（3-54）中含有一未知數(shù)F1，所以需要利用幾種液體的測量結(jié)果，對公式中的未知數(shù)F1進(jìn)行標(biāo)定。
本實驗中選取了空氣、水、谷物調(diào)和油、花生油、葵花油和芥花油幾種介質(zhì)。實驗時間為2010年4月10日，實驗條件為室溫（18-22℃）。使用圖5-1所示的實驗平臺，對上述幾種介質(zhì)進(jìn)行測量。當(dāng)機(jī)械探頭浸入被測液體中時，活塞便在液體中往復(fù)運(yùn)動，此時單片機(jī)定時器的計數(shù)值記錄了活塞的往復(fù)運(yùn)動時間。
其測量結(jié)果如表5-1所示。
表5-1 活塞往復(fù)運(yùn)動時間測量結(jié)果
被測液體 | 空氣 | 水 | 谷物油 | 花生油 | 葵花油 | 芥花油 |
測量結(jié)果 （計數(shù)值） | 2258 | 10411 | 32115 | 34115 | 41595 | 46813 |
2070 | 12983 | 29971 | 34323 | 43051 | 45783 | |
2038 | 10411 | 32115 | 34115 | 41595 | 46813 | |
2136 | 12983 | 29971 | 34323 | 43051 | 45783 | |
2169 | 10411 | 32115 | 34115 | 41595 | 46813 | |
2131 | 12983 | 29971 | 34323 | 43051 | 45783 | |
2082 | 10411 | 32115 | 34115 | 41595 | 46813 | |
2218 | 12983 | 29971 | 34323 | 43051 | 45783 | |
2088 | 10411 | 32115 | 34115 | 41595 | 46813 | |
2233 | 12983 | 29971 | 34323 | 43051 | 45783 | |
平均值 | 2142 | 11697 | 31043 | 34219 | 42323 | 46298 |
時間值 （ms） | 2.325 | 12．692 | 33．684 | 37．130 | 45．923 | 50．237 |
在同樣的條件下，使用旋轉(zhuǎn)粘度計（型號為KU-2）測得的上述幾種介質(zhì)的粘度值如表5-2所示。
表5-2 旋轉(zhuǎn)粘度計測量結(jié)果
被測液體 | 空氣 | 水 | 谷物油 | 花生油 | 葵花油 | 芥花油 |
粘度值 （mPa·s） | 0.0179 | 1.36 | 30.65 | 34.78 | 42.57 | 51.17 |
以旋轉(zhuǎn)粘度計測得的粘度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，其與使用
圖5-5 粘度值-運(yùn)動時間關(guān)系曲線圖
又由式（3-54）
式中L=26mm，R=5mm，r=4.5mm，m=12.3g，換算成國際制單位，并代入上式，得
（5-1）
式中時間T的單位為秒（s），粘度值η的單位為Pa·s。將時間T的單位變換為毫秒（ms），粘度值η的單位變換為mPa·s時，式（5-1）可以變換為如下形式。
（5-2）
根據(jù)上述幾種被測介質(zhì)的測量結(jié)果中的活塞往復(fù)運(yùn)動時間與標(biāo)準(zhǔn)粘度計測得的粘度值之間的關(guān)系，擬合出公式（5-1）中的未知數(shù)F1。
擬合結(jié)果為，F(xiàn)1=2.234，最終擬合出的公式如下式所示：
（5-3）
其擬合曲線如下圖5-6所示。
圖5-6 粘度值-運(yùn)動時間擬合曲線圖
根據(jù)公式（5-3），被測液體粘度值與活塞的往復(fù)運(yùn)動時間之間的理論關(guān)系曲線圖如下圖5-7所示。
圖5-7 粘度值-運(yùn)動時間理論曲線圖
第6章 總結(jié)與展望
本課題對基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方法進(jìn)行了研究與探索。在參考了國內(nèi)外的很多液體粘度測量方法，包括傳統(tǒng)的測量方法與新興的測量方法的基礎(chǔ)上，提出了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方法，并根據(jù)液體粘度的相關(guān)理論基礎(chǔ)與電磁學(xué)的相關(guān)原理設(shè)計了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方案。
本課題首先針對提出的基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方案進(jìn)行了理論研究和分析，然后針對該測量方案的具體模塊進(jìn)行了設(shè)計，并且對該方案進(jìn)行了可行性驗證實驗。本方案具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、操作方便、成本低等特點(diǎn)。本課題完成的主要工作如下：
1. 通過分析國內(nèi)外的各種液體粘度測量方法，設(shè)計了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方案。
2. 針對該方案中涉及到的理論基礎(chǔ)和相關(guān)原理進(jìn)行了分析和探討，證明了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方案的理論上的可行性。
3. 根據(jù)測量系統(tǒng)的要求設(shè)計了機(jī)械探頭結(jié)構(gòu)，為驅(qū)動線圈和活塞提供空間，被測液體能夠自由進(jìn)入探頭內(nèi)部，使活塞在被測液體中往復(fù)運(yùn)動。
4. 設(shè)計了以單片機(jī)為核心的控制測量電路，主要包括驅(qū)動信號產(chǎn)生電路、感應(yīng)信號檢測反饋電路，并對電路各部分進(jìn)行了調(diào)試。
5. 使用C語言編寫了單片機(jī)程序，實現(xiàn)驅(qū)動信號的產(chǎn)生、反饋信號的檢測、活塞往復(fù)運(yùn)動時間的計時以及與上位機(jī)通過串口通信等功能。同時使用VC編寫了上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，從單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示等功能。
6. 搭建了基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量系統(tǒng)實驗平臺，完成了系統(tǒng)的調(diào)試工作。
7. 根據(jù)相關(guān)理論基礎(chǔ)與相關(guān)原理以及所設(shè)計的測量系統(tǒng)，推導(dǎo)出了測量系統(tǒng)測得的活塞往復(fù)運(yùn)動時間與被測液體粘度的對應(yīng)關(guān)系，建立了測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過測量實驗與數(shù)據(jù)擬合，對其進(jìn)行了標(biāo)定。
8. 對測量系統(tǒng)進(jìn)行了可行性驗證實驗，主要包括系統(tǒng)的重復(fù)性實驗、系統(tǒng)的誤差測量實驗、系統(tǒng)的穩(wěn)定性實驗和系統(tǒng)的線性度實驗等。
綜上所述，本文主要探索研究了一種基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方案，為進(jìn)一步研究探索在現(xiàn)場環(huán)境下的液體粘度在線測量打下了堅實的基礎(chǔ)。
本文在以下方面的工作取得了一定階段性創(chuàng)新成果：
1. 本論文探索了一種國內(nèi)目前還沒有開展的基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方案，具有極高的創(chuàng)新性。
2. 測量方案中沒有涉及到任何附加的傳感器，完全利用電磁感應(yīng)的原理同時實現(xiàn)驅(qū)動信號的產(chǎn)生和感應(yīng)電壓信號的測量，結(jié)構(gòu)極為簡單，實現(xiàn)方便，降低了開發(fā)成本和難度，提高了可行性。
3. 實現(xiàn)了實驗室環(huán)境下對被測液體的粘度測量，并將誤差控制在了測量系統(tǒng)探索階段的合理范圍內(nèi)。
4. 成功的完成了系統(tǒng)重復(fù)性和穩(wěn)定性測量實驗，實驗測量結(jié)果的變動很小，保證了良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，重復(fù)性最大偏差大約為1 mPa·s，穩(wěn)定性最大偏差只有0.6831 mPa·s，達(dá)到了理想的效果。
7. 對測量系統(tǒng)進(jìn)行了線性度分析，測量結(jié)果顯示目前系統(tǒng)的非線性度誤差僅為0.0074741 mPa·s，測量系統(tǒng)具有極高的線性度。
本課題雖然針對基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方法進(jìn)行了大量的研究，學(xué)習(xí)了很多相關(guān)的理論知識，并對本課題中涉及的理論和原理進(jìn)行了大量的分析，并對測量系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試進(jìn)行了很多的嘗試，但是由于本課題尚處于探索階段，且其工程性強(qiáng)、再加上實驗條件有限、國內(nèi)機(jī)械加工精度不高等方面客觀因素的限制、再加之本人能力有限、時間倉促等主觀因素的限制，系統(tǒng)中還存在不盡人意的許多方面，需要進(jìn)一步的改進(jìn)，以便在基于電磁感應(yīng)的液體粘度測量方法的探索道路上更進(jìn)一步。
1. 由于柱狀永磁鐵活塞始終在兩個電磁線圈內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動，所以測量系統(tǒng)理論模型的推導(dǎo)過程中對把電磁線圈對活塞的驅(qū)動力假設(shè)為了恒力，但實際上隨著活塞位置的變化，電磁驅(qū)動力有著較小的變動。同時，對活塞受力進(jìn)行分析時，忽略了摩擦力的影響，不過這對粘度較大的液體幾乎沒有影響。
2. 對于感應(yīng)電壓信號的檢測，本系統(tǒng)采用的電壓比較器來實現(xiàn)的，電壓比較器的輸入電壓必須小于其電源供電電壓。而感應(yīng)電壓信號是疊加在電磁線圈驅(qū)動電壓之上的，這就要求驅(qū)動電壓必須要小于電壓比較器的供電電壓。而電壓比較器的供電電壓由有一定的限制，不能太高，這就決定了電磁線圈的驅(qū)動電壓不能過高。所以，對于粘度過高的液體進(jìn)行測量時，系統(tǒng)就會出現(xiàn)驅(qū)動電壓不能滿足驅(qū)動力的要求，而導(dǎo)致驅(qū)動力不足，使活塞無法在被測液體中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，從而使系統(tǒng)無法正常工作。
3. 對于本測量方案中的機(jī)械機(jī)構(gòu)，為了使活塞在運(yùn)動過程中不會飛出探頭內(nèi)部，在探頭兩端設(shè)置了側(cè)蓋來阻擋活塞的繼續(xù)運(yùn)動，同時在側(cè)蓋上打了小孔使被測液體自由進(jìn)入。但是，其實這樣液體并不是完全自由進(jìn)出的，在活塞往復(fù)運(yùn)動過程，由于側(cè)蓋的阻力，被測液體便會對活塞的運(yùn)動產(chǎn)生一個壓力作用，對被測液體的粘性阻力的測量產(chǎn)生影響。
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